Chalmers tekniska högskola CDIO – en referensmodell och en verktygslåda för utveckling av ingenjörsutbildning Johan Malmqvist Chalmers tekniska högskola

Grundläggande frågor vid utveckling av ingenjörsutbildning Vad gör ingenjörer och vad bör ingå i en ingenjörsutbildning? Utöver de traditionella ämneskunskaperna Vilka inslag och vilken pedagogik kan göra att vi blir bättre på att uppfylla dessa mål? Givet existerande begränsningar vad gäller student- och lärartid och finansiella resurser

Vad bör ingå i en ingenjörsutbildning? Vad gör ingenjörer? Vad bör ingå i en ingenjörsutbildning?

Vad gör ingenjörer? ”Scientists investigate that which already is. Engineers create that which has never been. - Theodore von Karman ”What you need to invent, is an imagination and a pile of junk” - Thomas Edison ”What is chiefly needed is skill rather than machinery” - Wilbur Wright

Vad gör civilingenjörer två år efter examen? (Alumnienkät E-K-Kf-M 2008)

Desired attributes of an engineer (Boeing, ca 1995) A good understanding of engineering science fundamentals Mathematics, Physical and life sciences, Information technology A good understanding of design and manufacturing processes A multi-disciplinary, systems perspective A basic understanding of the context in which engineering is practiced Economics, History, The environment, Customer and societal needs Good communication skills - written, oral, graphic, and listening A profound understanding of the importance of teamwork. Personal skills High ethical standards Ability to think both critically and creatively—independently and cooperatively Flexibility Curiosity and a desire to learn for life Den svenska examensordningen från 2007 för civil- och högskoleingenjörsutbildning innehåller liknande mål

CDIO:s definition (2003) ”Engineers Conceive, Design, Implement and Operate complex products and systems in a team-based environment” ”Ingenjörer planerar, utvecklar, tillverkar och driver komplexa tekniska produkter och system, i team och med moderna IT-verktyg som hjälp”

Mål för en CDIO-baserad utbildning CDIO-baserade utbildningars mål Ge aktiva och djupa kunskaper inom grundläggande matematiska och teknikvetenskapliga ämnen Ge förmåga att ta ledande roller vid planering, utveckling, tillverkning och drift av komplexa tekniska system Ge insikt i sambandet mellan grundläggande teknikutveckling och samhällsutvecklingen i stort Dessa tre mål skall uppfyllas parallellt

Detaljerad målbeskrivning – CDIO syllabus CDIO syllabus är en målbeskrivning för ingenjörs-utbildningar som utgår från behovet av ingenjörer som kan planera, utveckla, tillverka, och driva komplexa tekniska system Programspecfik (1) och generella delar (2-4) Framtagen och validerad med hjälp av alumni, fakultet och studenter Kvantifierbar och ”komplett” 1 Technical Knowledge & Reasoning: 1.1 Knowledge of underlying sciences 1.2 Core engineering fundamental knowledge 1.3 Advanced engineering fundamental knowledge 2 Personal and Professional Skills 2.1 Engineering reasoning and problem solving 2.2 Experimentation and knowledge discovery 2.3 System thinking 2.4 Personal skills and attributes 2.5 Professional skills and attributes 3 Interpersonal Skills 3.1 Multi-disciplinary teamwork 3.2 Communications 3.3 Communication in a foreign language 4 CDIO of Complex Systems 4.1 External and societal context 4.2 Enterprise and business context 4.3 Conceiving and engineering systems 4.4 Designing 4.5 Implementing 4.6 Operating CDIO syllabus contains 2-3 more layers of detail

Ingenjörsutbildningars utveckling Helhet Tvärteknisk Syntes 1960: Vetenskap & praktik 1995 M2000 2000: CDIO 1930: Kokbok/ praktik 1990: Vetenskap Detalj Disciplinär Analys Dagens och morgondagens ingenjörer behöver ”både-och” … helhet-detalj, syntes-analys, disciplinär-tvärvetenskaplig, teori-praktik, …

Kännetecken för en CDIO-baserad utbildning Utbildningen betonar grundläggande kunskaper, men där sammanhanget ges av kedjan planering-utveckling-tillverkning-drift av verkliga produkter/system, och som har en utbildningsplan som utgår från ämneskurser men där CDIO-aktiviteter är integrerade i ämneskurserna är rik på design-build-test-projekt på ett systematiskt sätt inkluderar icke-tekniska färdigheter betonar aktiva och undersökande lärandeformer äger rum såväl i klassiska klassrum som i moderna lärmiljöer för produktframtagning ständigt förbättras med hjälp av en systematisk utvärderingsprocess Verklighetsnära!

Vilka inslag och vilken pedagogik kan göra att vi blir bättre på att uppfylla dessa mål?

CDIO:s ”pedagogiska grundtanke” är inspirerad av Kolbs lärandemodell Concrete experiences Tutorials, Exercises, Lab classes etc. Active experimentation Reflective observation CDIO Abstract generalization Conventional approach Lectures: Concepts, Models, Laws, etc.

Inslag i en CDIO-baserad utbildning Förnyade introduktionskurser – tidiga ingenjörsmässiga inslag Design-build-projekt Lärandemiljöer som stödjer produktframtagning Samverkan mellan ämneskurser Integrerat lärande av generella kompetenser i projekt och ämneskurser Aktiva och undersökande lärandeformer

STANDARD 1 FOR CHALMERS MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM The ”Civilingenjör” program in Mechanical Engineering aims to develop the knowledge, skills and attitudes that are needed to be able to Lead and participate in the design and operation of industrial products, processes and systems This includes the entire lifecycle from identifying needs, creating solutions, design, manufacturing, marketing, operating, maintaining, recycling to eliminating

Design-build-test-projekt – lärandet sker genom skapandet av en ”produkt” Produkten utvecklas och implementeras till funktionellt testbar status, så att det är möjligt att verifiera att den uppfyller kraven och att identifiera möjliga förbättringar Produkten kan bestå av hård- och/eller mjukvara eller vara en simulerbar digital modell DBT-projekt tränar inte bara utvecklingsmetodik men fördjupar även tekniska kunskaper och utgör en plattform för att lära ut icke-tekniska kunskaper

Exempel på design-build-test-projekt Integrerad konstruktion och tillverkning M2 Industridesign M3 Formula student M4

ADVANCED DESIGN-BUILD-TEST PROJECT Chalmers EcoMarathon 2006 Motivation Self-efficacy Self-expression, ownership Involves unexpected events Concrete technical knowledge

Lärandemiljöer som stödjer produktframtagning - koncept

CDIO WORKSPACE – THE PROTOTYPING LABORATORY 450 m2 facility where students can build prototypes Metal machining, woodworking, FFF, welding, electronics, … Used in courses and projects from year 1 to master thesis projects

CDIO WORKSPACE – THE STUDY HALL

Integrerat lärande Lärandemoment i projekt eller ämneskurser som integrerar lärande av teknik med ”professionella färdigheter” (system-utveckling, experimenterande, lagarbete, kommunikation) Färdigheter är beroende av sammanhanget och bör läras och examineras i ämnessammanhanget (Bowden, Barrie, Edström) ...kommunikation som generisk färdighet... …kommunikation som kontextualiserad färdighet…

Integrerad utbildningsplan (KTH Farkostteknik) Development routes (schematic) Year 1 Introductory course Oral presentation Report writing Teamwork Project management Physics Mathematics I Numerical Methods Mechanics I Mathematics II Year 2 Solid Mechanics Product development Mechanics II Fluid mechanics Sound and Vibrations Thermodynamics Mathematics III Year 3 Signal analysis Control Theory Electrical Eng. Statistics

CURRICULUM DEVELOPMENT: INTEGRATED CURRICULUM (STD 3) Year 1 Intro Mathematics 7.5 ECTS Single-variable Calculus 7.5 ECTS Linear Algebra 7.5 ECTS Several-variabel Calculus 7.5 ECTS Programming in Matlab 4.5 ECTS Termodynamik M 4,5hp Mechanics and Solid Mechanics I 7.5 ECTS Mechanics and Solid Mechanics I I 7.5 ECTS Intro to Mechanical Eng 7.5 ECTS Common computation labs in mathematics, programming & engineering science Year 2 Communications Mechanics and Solid Mechanics I II 7.5 ECTS Machine Elements 7.5 ECTS Integrated Design and Manufacturing Project 7.5 ECTS Materials A 7.5 ECTS Materials B 7.5 ECTS Mechatronics 7.5 ECTS Industriell Production & Org 6 ECTS Manufacturing Tech 7.5 ECTS Industrial Economics 4 ECTS Teamwork Sustainability Year 3 Integrative project in design & manufacturing Fluid Mechanics 7.5 ECTS Control Engineering 7.5 ECTS Bachelor Thesis Project 15 ECTS Env and Energy Eng 7.5 ECTS Elective I 7.5 ECTS Elective II 7.5 ECTS Mathematical Statistics 7.5 ECTS

STANDARD 8: ACTIVE AND EXPERIENTIAL LEARNING Reformed mathematics emphasizing simulations Motivate importance of mathematics and applied mechanics courses Realistic engineering problems Working method based on modelling, simulation & analysis MATLAB programming Visualization of mechanical behaviour Year 1 lab example

SYSTEMATIC PROGRAM DEVELOPMENT A major effort was devoted to developing and documenting the goals, intents and structure of the program in an integrated program description Ca 35 specific goals Ca 10 program design principles A ”program design matrix” is used to maintain the links between the goals and the courses of the program solve by numerical methods linear and nonlinear ordinary differential equations inclusive reformulating to a first order system, communicate in English and Swedish (written and spoken) and be able to present results using graphs, illustrations and simulations. lead and participate in the development of new products, processes and systems using a holistic approach for the entire process: from stating requirements and formulating the concept, to design, manufacturing, operations and phase-out/shut-down. EXAMPLES OF PROGRAM GOALS

Programutveckling och kvalitetsarbete

CDIO behöver alltid anpassas till det lokala sammanhanget CDIO är en referensmodell, inte en preskription Elementen behöver översättas och transformeras för att passa det lokala sammanhanget CDIO tar inte upp rena ämneskunskaper Många utbildningar har redan en del CDIO-element som man kan bygga vidare på Ta vad som passar, modifiera det, ge det ett nytt namn CDIO tillhandahåller en verktygslåda för att arbeta med den processen

Sammanfattning Ingenjörsutbildningen behöver förändras för att motsvara dagens och morgondagens krav på ingenjörer CDIO är en utbildningsmodell som sätter framtagning av produkter och system i centrum för att möta dessa krav CDIO-modellen tillhandahåller en verktygslåda för programutveckling CDIO har rönt ett stort intresse från andra högskolor och nu är mer än 60 högskolor medlemmar i CDIO Initiative Arbetet med CDIO var en viktig orsak till att HSV 2008 utsåg M-programmet till ”framstående utbildningsmiljö”, en av ca 10 i landet